Е. Поваляев, С. Хуторной

Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 2. Аппаратура потребителей системы

В первой части цикла было дано общее описание при╦мника сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. В данной статье рассмотрим вопросы построения аппаратуры потребителя спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, в частности, радиочастотный тракт при╦мника и аналого-цифровой преобразователь как интерфейсный блок между цифровым коррелятором и радиочастотной частью.

Навигационный при╦мник предназначен для определения пространственных координат, вектора скорости, текущего времени и других навигационных параметров, полученных в результате при╦ма и обработки радиосигналов от навигационных спутников.

На вход при╦мника поступают радиосигналы от спутников, находящихся в зоне радиовидимости потребителя. Так как для решения навигационной задачи необходимо измерить псевдодальность и псевдоскорость относительно минимум 4-х спутников, то навигационные при╦мники целесообразно строить в многоканальном исполнении (4-12 каналов в обычных и 20√48 каналов в 2-частотных совмещ╦нных при╦мниках).

Современные навигационные при╦мники являются аналого-цифровыми системами [1]. Переход на цифровую обработку осуществляется на одной из промежуточных частот, при этом имеет место тенденция к е╦ повышению. Увеличение промежуточной частоты для системы ГЛОНАСС обусловлено желанием разработчиков перенести разделение по различным каналам в цифровую часть. На рис. 1 представлена функциональная схема навигационного при╦мника ГЛОНАСС/GPS [2].

Рисунок 1. Функциональная схема навигационного при╦мника ГЛОНАСС/GPS

Как правило, типовой при╦мник сигналов систем ГЛОНАСС/GPS состоит из четыр╦х функциональных частей:

• антенной системы;
• радиочастотной части;
• цифрового блока корреляционной обработки;
• навигационного процессора.

В качестве антенны обычно используется микрополосковая антенна, обладающая малой массой и габаритными размерами и простотой изготовления. Микрополосковая антенна состоит из двух параллельных проводящих сло╦в, раздел╦нных диэлектриком. Нижний проводящий слой является заземл╦нной плоскостью, а верхний - излучателем антенны. По форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсоидом, пятиугольником и так далее. Микрополосковая антенна обеспечивает всена-правленный при╦м сигналов [1].

Типичные характеристики антенны (для рабочего диапазона частот 1570√1625 МГц):

• обеспечение работы в тракте с волновым сопротивлением 50 Ом;
• коэффициент стоячей волны (КСВ) - не более 2;
• коэффициент эллиптичности антенны в зените не менее 3,5;
• минимальное значение коэффициента усиления относительно изотропного излучателя с круговой поляризацией - 5√8 дБ.

В антенне может быть установлен предварительный усилитель. Он нужен для усиления сигнала до такого уровня, чтобы при передаче по кабелю (20√40 м) до входа в радиочастотную часть при╦мника сигнал был достаточно мощным. Предварительный усилитель обеспечивает в рабочем диапазоне частот коэффициент усиления К_у ~ 30√40 дБ и коэффициент шума К_ш 2,5.

Обычно под радиочастотной частью понимают совокупность входных усилителей и фильтров (Pre filter, Pre amplifier), систему 2- или 3-кратного гетеродинирования (Down converter) и АЦП (A/D converter). При использовании многоуровневых АЦП возникает необходимость в автоматической регулировке усиления (Automatic Gain Control - AGC). В радиочастотной части сигналы, принятые антенной, предварительно усиливаются и фильтруются во всей полосе (от 1570 до 1620 МГц для совмещ╦нных при╦мников) несущих частот с помощью предварительного усилителя и полосового фильтра.

Принятый высокочастотный сигнал в радиочастотной части гетеродинируют - переносят на промежуточную частоту, дискретизируют, и в цифровом виде сигнал поступает в коррелятор. В корреляторе в цифровой форме формируются отсч╦ты синфазных I(k) и квадратурных Q(k) компонент сигнала, которые являются основой для работы алгоритмов поиска сигнала по частоте и задержке, слежения за фазой сигнала и выделения навигационного сообщения.

Отсч╦ты I(k) и Q(k) поступают в сигнальный процессор, который, обрабатывая их, формирует значения псевдодальности и псевдофазы, решает навигационную задачу, формирует управляющий сигнал для ФАП каждого канала для замыкания петли и управляет периферией. Помимо этого, коррелятор может формировать измерительную информацию, которая затем будет использована для вычисления псевдодальности и псевдофазы.

Для при╦мников системы GPS с кодовым разделением каналов (сигналов различных спутников) схема на рис. 1 отображает структуру при╦мника в целом, то есть радиочастотная часть является общей и разделение по спутникам производится уже в цифровом блоке коррелятора. Для при╦мников системы ГЛОНАСС или совмещ╦нных при╦мников схема радиочастотной части может существенно отличаться.

Как и любое радиотехническое устройство, навигационный при╦мник рассчитывают, выбирая коэффициент шума, коэффициент усиления каждого каскада и добротность полосовых фильтров. Эти характеристики определяются исходя из уровня мощности сигнала на входе антенны, чувствительности при╦мника и его динамического диапазона.

Существует несколько вариантов построения радиочастотных частей совмещ╦нного навигационного при╦мника. Первоначально была предложена многоканальная схема, в которой каждый радиочастотный канал при╦мника настроен на частоту одного из видимых спутников GPS или ГЛОНАСС. Похожую структуру имеет радиочастотный блок, построенный на микросхеме, вы-пускаемой фирмой Zarlink (Gec Ples-sey) GP1010, GP2010 (рис. 2) [3].

Рисунок 2. Функциональная схема радиочастотной части, выпускаемой фирмой Zarlink (Gec Plessey), GP1010, GP2010

Радиочастотная часть для GPS-при╦мников производится многими компаниями, такими как Zarlink, Sirf, Tchip, TI, Thomson и так далее. Однако нам не известны производители полноценных радиочастотных микросхем для совмещ╦нных при╦мников. С помощью микросхемы Zarlink (Gec Plessey) может быть реализован Глонассовский при╦ник, поэтому рассмотрим е╦ структуру более подробно.

В данной схеме реализовано тр╦х-уровневое гетеродинирование. Промежуточные частоты равны

f_{int ermediate 1} = 1400 МГц,
f_{int ermediate 2} = 140 МГц и
f_{int ermediate 3} = 31 МГц.

Частота дискретизации - 5,7 МГц. Выходной АЦП работает в режиме преобразователя частоты, частота входного сигнала АЦП ~ 4,3 МГц, поэтому на выходе получается сигнал разностной частоты ~ 1,4 МГц. Микросхема предназначена для гетеродинирования сигнала GPS, однако е╦ можно использовать и для ГЛОНАСС. Для этого необходимо разбить широкий спектр GLONASS на несколько полос, используя разные частоты гетеродинирования для каждой полосы общего спектра таким образом, чтобы в спектрах сигнала, прошедших через выходной фильтр, присутствовали все литеры.

Подобный при╦мник позволяет измерять псевдодальности и псевдофазы для спутников системы GPS, однако сформированные измерения псевдофазы использовать для обработки сигналов спутников ГЛОНАСС не представляется возможным. Схема при╦мника построена таким образом, что весь узкий спектр GPS попадает в один радиочастотный тракт, а широкий спектр ГЛОНАСС разбивается на три диапазона, каждому из которых соответствует свой радиочастотный тракт. В результате все спутники GPS имеют одинаковые фазовые искажения, так как общий сигнал проходит по одному тракту. Сигналы от спутников ГЛОНАСС, попадающие в разные диапазоны спектра, имеют разные фазовые искажения, так как проходят через разные радиочастотные части. Поэтому для использования фазовых измерений по ГЛОНАСС в при╦мнике, построенном по такой схеме, необходимо оценить искажения, вносимые каждым каналом.

Фазовые искажения в каждом канале можно оценить и вносить в результаты измерений. Однако величина искажений зависит от многих малостабильных факторов, таких как температура, влажность и так далее. Таким образом полностью учесть величину искажений невозможно.

Поэтому была предложена другая схема (рис. 3).

Рисунок 3. Функциональная схема радиочастотной части совмещ╦нного при╦мника ГЛОНАСС/GPS

В данной схеме входной сигнал, состоящий из сигналов GPS и Glonass, поступает на вход совмещ╦нной антенны. Входной сигнал GPS + GLONASS лежит в диапазоне 1570,0√1616 МГц (рис. 4). После этого сигналы фильтруются полосовым фильтром и усиливаются антенным усилителем. Далее сигнал поступает в радиочастотную часть при╦мника, где он фильтруется, усиливается и гетеродинируется первым гетеродином. В результате первого гетеродинирования получаем сумму сигналов GPS и GLONASS, лежащих в диапазоне 39 (GPS) и 71√85 МГц (GLONASS). Далее с помощью полосового фильтра GPS и GLONASS сумма сигналов разделяется на два тракта. В первом тракте выделяем GPS-сигнал с помощью полосового фильтра. Сигнал во втором тракте мы пропускаем через фильтр верхних частот, чтобы отрезать все гармоники выше 90 МГц (зеркальная помеха). Далее сигнал во втором тракте мы подвергаем гетеродинированию f_oscillator 2 = 121,44 МГц. Спектр входного сигнала 39√85 МГц переносится в диапазон 82,44 МГц (GPS) и 50,44√36,44 МГц (GLONASS), то есть спектр сигнала "переворачивается". Далее с помощью по-лосового фильтра выделяют GLO-NASS-сигнал.

Рисунок 4. Спектры сигналов ГЛОНАСС/GPS

Далее сигнал в обоих трактах GPS и GLONASS гетеродинируют второй раз частотой 34,98 МГц. В первом тракте получаем GPS-сигнал на частоте 4 МГц, во втором тракте получаем совокупность всех сигналов Глонасс, спектр которой составляет 15,46√1,46 МГц. Каждый сигнал в обоих трактах дискретизируется частотой f_sampling = 34,98 МГц, квантуется с помощью двухуровневого квантователя и отсылается в коррелятор.

Отметим, что все сигналы Глонасс проходят по одному тракту. Поэтому фазовые задержки всех каналов идентичны. Предложенная на рис. 3 схема позволяет проводить фазовые измерения, пригодные для последующей обработки. Однако е╦ помехозащищ╦нность можно значительно улучшить, построив схему при╦мника с уч╦том следующих моментов [4]:

• при использовании только диапазона частоты L1 радиочастотные тракты GPS и GLONASS должны быть разделены как можно ближе ко входу при╦мника;
• при использовании диапазонов частот L1 и L2 в совмещ╦нном при╦мнике радиочастотные тракты GPS L1, GLONASS L1, GPS L2 и GLONASS L2 должны быть разделены как можно ближе ко входу при╦мника;
• радиочастотная часть должна быть спроектирована как линейная, в особенности, часть от LNA (low-noise amplifier) до выхода первого преобразователя частоты;
• входные сигналы должны быть отфильтрованы фильтрами с хорошей добротностью как можно ближе ко входу при╦мника, входные цепи LNA должны быть защищены от взаимных импульсных помех.

Такая схема построения при╦мника позволяет значительно повысить его помехозащищ╦нность. Паразитные помехи и помехи в полосе GPS или GLO-NASS не попадают в соседнюю полосу.

Такая стратегия была реализована в при╦мнике компании Ashtech (рис. 5).

Рисунок 5.Функциональная схема при╦мника фирмы Ashtech

Одним из принципиальных моментов разработки навигационного при╦мника является выбор частотного плана. Под частотным планом подразумевается выбор задающего генератора, частот гетеродинирования и дискретизации для того, чтобы минимизировать уровень паразитных гармоник, возникающих в схеме из-за различных нелинейностей, шумов и влияния цифровой части при╦мника. Для этого предварительно выбирают генератор, промежуточные частоты для гетеродинирования, фильтры и рассчитывают коэффициенты усиления всех каскадов. Далее анализируют получившуюся архитектуру и выявляют все нелинейные элементы, в результате работы которых могут возникать гармоники, попадающие в спектр сигнала. Варьируя промежуточные частоты, частоту дискретизации, характеристики смесителей, усилителей и фильтров, подбирают такую конфигурацию, которая обеспечивает оптимальный при╦м сигнала, то есть в спектре сигнала появляются дальние гармоники от нелинейных преобразований, которые малы и не оказывают серь╦зного влияния на сигнал.

Для GPS-при╦мников выпускается большая номенклатура различного рода радиочастотных блоков. В качестве примера рассмотрим блок-схемы микросхем радиочастотных трактов, предлагаемых фирмами Tchip (TJ1004) и Texas Instrument (TRF5001).

Блок-схема микросхемы TJ1004 фирмы Tchip представлена на рис. 6.

Рисунок 6.Блок-схема ИС радиочастотного тракта TJ1004 фирмы Tchip

TJ1004 - это полностью законченный радиочастотный блок для при╦мника системы GPS для частоты L1. TJ1004 содержит преобразователь частоты, на выходе которого получаем сигнал промежуточной частоты ~ 20,46 или 18,94 МГц. В состав кристалла входит гетеродин (управляемый генератор, построенный на основе контура ФАП), УПЧ (усилитель промежуточной частоты), контур АРУ (автоматической регулировки усиления сигнала, AGC) и 2-бит АЦП. Сигнал от внешнего малошумящего усилителя (LNA TJ1001) и полосового фильтра поступает на преобразователь частоты. Низкое энергопотребление и миниатюрные размеры TJ1004 дают возможность использовать его в различного рода совмещ╦нной аппаратуре.

Другой пример интегрального исполнения радиочастотного блока предлагает фирма Texas In-strument. В кристалле TRF5001 (рис. 7) реализован малошумящий уси-литель входного сигнала (LNA). С выхода LNA сигнал подвергается двукратному преобразованию частоты и внешней фильтрации. Первая промежуточная частота составляет 222,54 МГц, вторая - 2,94 МГц. После внешней фильтрации и внутреннего усиления сигнал поступает на встроенный 4-бит АЦП. Коэффициент усиления УПЧ перед АЦП регулируется с помощью встроенного контура АРУ (AGC).

Рисунок 7.Функциональная схема ИС радиочастотного тракта при╦мника GPS-сигналов TRF5001 фирмы Texas Instrument

Значительной проблемой при проектировании ГЛОНАСС/GPS-при╦мников является уч╦т влияния цифровой части при╦мника на радиочастотную. Для уменьшения этого влияния обеспечиваются сильная развязка и экранирование радиочастотной части. Кроме этого, частоту дискретизации выбирают кратной частоте задающего генератора и всем промежуточным частотам.

Выбор числа уровней квантования в АЦП определяется, в основном, типом помех на входе при╦мника. Если основным видом помех является белый гауссовский шум, то возможно применение малоуровневого квантования, вплоть до бинарного. Если помеха узкополосная стационарная, то необходимо большее число уровней квантования [5].

Согласно материалам, привед╦нным в [5], потери при применении бинарного квантования в условиях аддитивного белого гауссовского шу-ма не превышают 1 дБ при частоте дискретизации порядка 30...40 МГц. Дальнейшего снижения потерь можно добиться, применяя 3- или 4-уровневое квантование. Однако, принимая во внимание то, что увеличение числа уровней квантования приводит к почти такому же увеличению аппаратных затрат на реализацию коррелятора, применение многоуровневого квантования в условиях, когда на вход при╦мника поступает смесь сигнала и белого гауссовского шума, нецелесообразно.

Совершенно иная картина наблюдается при наличии узкополосных стационарных помех.

С 2005 года система GLONASS должна перейти на диапазон излучаемых спутниками частот 1598,1...1604,3 МГц (6,2 МГц). На сегодняшний день по плану диапазон занимаемых частот должен быть перенес╦н в область 1605,4...1612,12 МГц. При ориентации на данную частоту возможно возникновение проблем, связанных с тем, что некоторые спутниковые системы излучают на частотах, близких к данной или находящихся в данном диапазоне:

• на частотах, близких к данному диапазону, излучает система SATCOM, низшая частота - 1626,5 МГц;
• в течении ближайших нескольких лет передатчики системы Mobil Satellite Service (MSS) начнут работать в диапазоне 1610...1626,5 МГц;
• диапазон 1610,6...1613,8 МГц отвед╦н под нужды радиоастрономии.

При наличии взаимных помех однобитное квантование да╦т потери порядка 7 дБ, по сравнению с идеальной линейной обработкой (без квантования или с числом уровней, близким к бесконечности). Для компенсации этих потерь применяют более сложные методы квантования, чем однобитное. Как сказано выше, применение большего числа уровней квантования приводит к существенному возрастанию аппаратных затрат на реализацию коррелятора. Компромиссом в этом случае может стать 2-бит квантование.

2-бит квантование характеризуется двумя параметрами - весовым коэффициентом W и порогом T (рис. 8). В [4] приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований различных типов 2-бит квантования:

• оптимальное 2-бит квантование (W и T оптимальны);
• обычное 2-бит квантование, W = 1/3, является оптимальным для случая смеси сигнала с гауссовским шумом;
• тр╦хуровневое квантование, W = 0, Topt, да╦т максимальный иммунитет против взаимной помехи;
• однобитное квантование, полагается как особый случай 2-бит квантования при W = 1.

Рисунок 8.Выбор весового коэффициента и порога для 2-бит квантования

В [6] приводятся данные по уровню порога и весовым коэффициентам для наиболее часто используемых разновидностей квантования: 2-бит (рис. 9) и 3-бит (рис. 10).

Рисунок 9.Выбор уровня порога и весовых коэффициентов при 2-бит квантовании

Рисунок 10.Выбор уровня порога и весовых коэффициентов при 3-бит квантовании

По результатам теоретических и экспериментальных исследований оптимальным типом 2-бит квантования в условиях взаимных помех является тр╦х-уровневое квантование, когда W = 0.

В следующей статье цикла будут рассмотрены проблемы, связанные с многолучевым распространением сигналов навигационных спутников, и методы борьбы с многолучевостью в навигационных системах ГЛОНАСС/GPS.

Литература

1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под ред. В.Н. Харисова, А.Ф. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.
2. Understanding GPS. Principles and application. Elliot D. Kaplan. 1996.
3. GP2010. GPS Receiver RF Front End. /Supersedes edition in August 1996 Global Positioning Products Handbook, HB4305-1.0 DS4056-3.4. October 1996.
4. Techniques for Improving Antijamming Performance of Civil GPS/GLONASS Receivers. Sergey V. Lyusin, Illia G. Khazanov. ION GPS, 1998.
5. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа и др. / Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Радио и связь, 1990.
6. Global Positioning System: Theory and Application. Volume I, Edited by Bradford W. Parkinson and James I. Spilker / GPS Receivers, A.J. Van Dierendonck.